地铁邻近既有桥梁施工安全性控制理论与方法

In order to achieve the scientific, precise, quantitative safety risk control during subway construction nearby existing bridge, the subway-soil-pile foundation -existing bridges will be made as a whole system in this project. Based on the interaction between deformation soil and structures, mechanical mechanism of existing bridge deformation and its change regulation will be put forward during adjacent construction. Through the organic combination of laboratory experiment and field test，the main effects of pile bearing capacity factor will be simulated, and the multi-factor correlation function of the bearing capacity of the pile foundation will be established. According to dynamic response characteristics between pile and upper structure, many different failure modes of the bridge upper structure will be analysed. Considering the damage state and the remaining security reserve of the bearing capacity of the bridge, the control indicators and control standards of the existing bridge would be proposed. Based on the systematic analysis of the dynamic process, the nonlinear dynamics theory and the control theory, the modified dynamic control model will be established, then the stage control value for existing bridge will be presented. Due to dynamic control, a complete safety control method will be formed in adjacent construction. Research results will enrich basic theories of underground engineering adjacent construction, which has the important theoretical significance and the practical application value to improve the safety of underground engineering construction in urban.

为实现城市地铁隧道邻近既有桥梁施工安全风险控制的科学化、精细化、定量化，本项目拟将地铁隧道-土体-桩基-既有桥梁四者作为整体系统，通过抽象概化分析变形土体与结构之间的耦合作用，揭示既有桥梁变形的力学本质及其变化规律，并籍由室内试验与现场测试的有机结合，模拟桩基承载力的主要影响因子，建立桩基承载力多因素关联函数；通过桩基与桥梁上部结构的动态响应特征，分析桥梁上部结构的不同破坏模式，并综合考虑桥梁损伤状态和桥梁承载力剩余安全储备，提出既有桥梁控制指标与控制标准；基于地铁隧道施工动态过程的系统性分析，依据非线性动力学理论及控制论原理，建立动态控制的修正模型，提出既有桥梁的阶段控制标准。对既有桥梁实施动态控制，形成完整的地铁邻近既有桥梁施工安全性控制方法。项目预期成果将丰富城市地下工程邻近结构物施工的基础理论，对提高城市地下工程施工安全性具有重要的理论意义与实际应用价值。

随着城市轨道交通建设的快速发展，新建隧道施工将不可避免地穿越大量既有桥梁，使得既有桥梁的安全和运营受到影响，因此，探究城市暗挖隧道穿越既有桥梁的安全控制理论和方法具有重要的现实意义。本项目在充分调研基础上，综合理论分析、室内试验、数值模拟、现场测试等研究手段，对地铁隧道施工对邻近既有桥梁的影响及其安全性控制进行了较深入的研究,取得的主要研究成果如下：（1）基于穿越工程特点，提出了隧道-土体-桩基-上部结构四者之间的相互作用关系，并对其动态耦合机制进行了系统分析；（2）对地铁隧道施工情形下极不稳定围岩超前破坏模式进行了研究，并根据超前破坏形态的不同，将该类围岩分为正面挤出型、前倾式冒落型及后倾式冒落型；（3）针对群桩基础，综合考虑桩基-承台-土体的整体效应，研究了隧道开挖条件下被动群桩的遮拦效应；（4）采用理论分析推导了桩基沉降 与桩基承载力损失（桩端阻力 与桩侧阻力 变化）的解析关系；（5）建立了桩基承载力的可靠度功能函数，并采用matlab编写的响应面计算程序对北京地铁7号线穿越双井桥过程中桩基承载能力的可靠性进行了评价；（6）在对桥梁上部结构与桩基的动态作用关系、地铁隧道施工影响下桥梁上部结构的破坏模式进行研究的基础上，提出了基于损伤评估的既有桥梁控制标准的确定方法；（7）建立了完整的隧道邻近既有桥梁施工的动态控制体系，该体系分为工前控制、工中控制和工后控制三部分，其核心在于桥梁风险状态的判定及其应对控制措施的选择；（8）研发了隧道穿越既有桥梁的主动顶升成套技术，并对顶升关键参数的确定方法进行优化设计，完善了桥梁主动顶升理论基础与技术体系；（9）在穿越工程中，基于暗挖隧道施工特点，提出了基于反分析预测的动态预测控制方法；（10）该研究成果在北京地铁7号线广渠门外站～双井站区间隧道下穿双井立交桥工程以及北京地铁7号线达官营-广安门区间隧道穿越现况广安门桥工程中进行了成功应用。